DE2729358A1 - Lichtpunkt-abtastsystem - Google Patents

Description

PATEiMTAN WALTE A. GRÜNECKER

CNPI--MC*

H. KINKELDEY

OR HQ

W. STOCKMAIR

η« ME ICALTKX

K. SCHUMANN

P. H. JAKOB

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G. BEZOLD

8 MÜNCHEN 22

MAXIMIUANSTRASSE «3

29. Juni 1977 P 11 518

XEROX CORPORATION

Xerox Square, Rochester, New York 14644, USA.

Lichtpunkt-Abtastsystem

Die Erfindung betrifft ein optisches Lichtpunkt-Abtastsystem·

Ein Typ eines gebräuchlichen Eingabe-Abtastsystems sum elektronischen Aufzeichnen des Informationsinhaltes eines Abschnittes eines Schriftstückes oder einer anderen Torlage verwendet eine lange, lineare Anordnung lichtempfindlicher transistorbestückter Detektoren und ein mehrgliedriges Linsensystem, das, während der Schrift st ückab schnitt von einem fokussierten Lichtstrahl hoher Intensität, etwa einem Laserstrahl, abgetastet wird, die Veränderungen des Reflexlonsvermugens des SohriftstUokabschnittes zu der linearen Detektoranordnung schickt· um

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TELEFON (Οββ) 99 9BS9 TELEX OB-9SSaO TELEQRAMME MONAPAT

-Z-

eine brauchbare Leistung zu erzielen, besteht das Linsensystem aus einer Gruppe von drei oder vier Linsenelementen hoher Qualität, die beträchtlich zu den Kosten des Systems beitragen. Außerdem gestattet die Linsenanordnung nur sehr kleine Änderungen der Abbildungstiefe des Systems, was zu Bildfehlern führen kann, wenn die Vorlage Kniffe oder sonstige geringfügige Schwankungen in einer Bewegung in Richtung zu oder von dem Linsensystem hat.

Was die Detektoranordnung anlangt, so sind ladungsgekoppelte Speicher ein Typ einer lichtempfindlichen Vorrichtung, die für die Elemente der Detektor anordnung verwendet werden können. Wenn die Bitdichte pro Längeneinheit des Vorlagenabschnittes groß ist (etwa 500 bit/engl. Zoll; 20 bit/mm) und die Vorlage einige Längeneinheiten breit 1st (übliche Papierbreite), ist die Anzahl ladungsgekoppelter Speicher, die in einer einheitlichen linearen Anordnung vorgesehen werden muß, größer als mit der herkömmlichen Halbleiterfabrikationstechnik produziert werden kann. So wurden beispielsweise 7000 ladungsgekoppelte Speicher auf Zentren von 13 μ eine Silizium-Wafer von 90 mm erfordern - eine gewaltige Aufgabe für die Produktion, die unwahrscheinliche Durchbrüche in der Technologie der Halbleiterfabrikation erfordern würde, um zu annehmbaren Ergebnissen zu gelangen. Um dieses Problem zu bewältigen, ist vorgeschlagen worden, einige kurze lineare Reihen ladungsgekoppelter Speicher auf einer Achse zu fluchten, um den Effekt einer Reihe ausreichender länge für die gesamte benötigte Bitspeioherkapazität vorzusehen. Die Verwirklichung langer linearer Reihen ladungsgekoppelter Speicher aus mehreren kürzeren linearen Reihen solcher Speloher erfordert, daß der Übergang von einer Reihe zur nächsten an irgendeiner Stelle auf der Abtastlinle stattfindet. Eine solche Ausrichtung der Reihen, daß der letzte Detektor der vorausgehenden Reihe und der erste Detektor der näoheten Reihe auf gemeinsamen Zentren liegen, erfordert empfindliche optomechanlsche Toleranzen, die kostspielig, in einer Maschine schwer aufrechtzuerhalten und auf Produktionsbasis nur mit Mühe

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zu verwirklichen sind. Außerdem sind derzeit keine befriedigenden elektronischen Techniken verfügbar, um die tangentialen und sagittalen Auarichtungsfehler in der Konstruktion einer einzigen langen linearen Reihe von Detektoren aus mehreren zusammengefügten kurzen Detektorreihen auszuschalten.

Die Erfindung will ein verbessertes optisches Abtastsystem schaffen. Das Abtastsystem soll mit geringeren Kosten herstellbar sein· Ferner bezweckt die Erfindung, ein verbessertes optisches Abtastsystem vorzusehen, das die Fähigkeit zu einer Reorientierung der optischen Achse hat und verbesserte Tiefenschärfe-Toleranzen besitzt·

Um dies zu erreichen, sieht die Erfindung ein Idchtpunkt-Abtastsystem vor, das eine Linsenanordnung verwendet, die unter einem Winkel zur Abtastlinie der Vorlage gekippt ist, um den Informationsinhalt der Abtastzeile der Vorlage in Form der Bitpositionen zu einer geschichteten Anordnung lichtempfindlicher Detektoren zu schicken, die entlang einer zur axialen Richtung der Abtastzeile senkrechten Achse angeordnet sind. Die Idnsenanordnung hat für jeden Abtastabschnitt der Abtastzeile der Vorlage eine Linse mit der passenden Brennweite und die Detektoranordnung hat für jeden Abtastabschnitt der Abtastzelle eine Detektoreinheit. Jede solche Detektoreinheit hat ein Detektorelement für jede Bitposition des dieser Detektoreinheit zugeordneten Abtastabschnittes, so daß der Informationsinhalt jedes Abtaetabschnittes über eine andere Linse der Idnsenanordnung auf einer anderen Detektoreinheit der geschichteten Einheiten in der Detektor anordnung aufgezeichnet wird. Aufgrund einer Verdrehung oder axialen Heuorientierung des Informationsinhaltes der Abtastzeile, die durch die gekippte !düsenanordnung erzeugt wird, kann zur Aufzeichnung des Informationsinhaltes der Abtastzeile eine geschichtete oder zweidimensionale (flächige) Anordnung von Detektoreinheiten verwendet werden. Im Gegensatz zu langen linearen Detektoranordnungen können flächige Detektoranordnungen mit gebräuchlichen Herstellungsverfahren gefer~

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tigt werden, da sie lediglich eine rechteckige Wafer aus Halbleitermaterial in der Größenordnung von 25 x 6 mm benötigen. Zwar sind ladungsgekoppelte Speicher für die Detektoren der flächigen Detektoranordnung besonders günstig, doch können auch Photodioden für die Detektoren der Anordnung verwendet werden und anstelle der Detektoranordnung kann der lichtempfindliche Schirm einer Vidiconröhre benutzt werden.

Ein bevorzugter Erfindungsgedanke liegt in einem optischen Lichtpunktabtaster, der eine linsenanordnung hat, die zwischen einer Abtastzeile und einer Detektoranordnung liegt und unter einem Winkel zur Achse der Abtastzeile gekippt ist. Jede Linse der Linsenanordnung hat eine Koordinatenposition in einer Ebene parallel zur Abtastzeile, die eine Beziehung zu einem bestimmten Abschnitt der Abtastzeile hat, so daß der Informationsinhalt jedes Abschnittes der Abtastzeile zu einem anderen Detektor der zu der Detektoranordnung geschichteter Detektoren geschickt wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen« Darin zeigen:

Pig.1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäiien Lichtpunkt-Abtastsystems}

Fig.2 eine weitere perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lichtpunkt-Abtastsystems, die die gegenseitige Beziehung der Bestandteile des Systems veranschaulicht;

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Lichtpunkt-Abtastsystems, die die Achsabstände der Systemkomponenten veranschaulicht.

In Fig.1 wird ein Lichtstrahl 2 hoher Intensität, wie er etwa von einem Laser 4 erzeugt wird, mit Hilfe eines Abtastpolygons 8, dessen Rotationsachse senkrecht zur Ebene liegt, in der der Lichtstrahl 2 eich bewegt, so geführt, daß er in üblicher Weise

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eine Abtastzeile einer Vorlage überstreicht. Sie Facetten des Polygons 8 sind verspiegelt, so daß sie jedes auf sie fallende Licht reflektieren. Auf diese Weise kommt bei der Drehung des Polygons eine Lichtpunktabtastung zustande. Alternativ kann eine Lichtpunktabtastung auch mit Hilfe anderer geeigneter Einrichtungen vorgesehen werden, beispielsweise mit verspiegelten piezoelektrischen Kristallen oder ebenen Reflexionsspiegeln, denen eine oszillierende Bewegung erteilt wird. Me Abtastzeile der Vorlage ist linear und kann ein Teil eines eine Information tragenden Schriftstückes sein, das eine alphanumerische oder Faksimile-Information trägt. Sie Abtastzeile besteht aus mehreren informationstragenden Abtastabschnitten a, b, c....n, gleicher Länge; beispielsweise kann jeder Abschnitt 25 mm lang sein· Sie Anteile des abtastenden Lichtstrahles 2, die von den informationstragenden Abschnitten der abgetasteten Zeile reflektiert werden, werden mit Hilfe einer Linsenanordnung 10 zu einer flächigen Anordnung lichtempfindlicher Betektoren 12 geschickt.

Sie Linsenanordnung 10 enthält für jeden informationstragenden Absohnitt der Abtastzeile eine kleine Linse, wie durch Linsen 10a, 10b, 10c...1On angedeutet,* und die flächige Detektoranordnung 12 umfaßt in entsprechender Weise eine Detektor einheit für jeden informationstragenden Abschnitt der Abtastzeile, wie dies durch geschichtete Detektoreinheiten 12a, 12b, 12o....12n verdeutlicht ist. Sie Linsenanordnung 10 liegt in einer Ebene, die sich parallel zur Längsachse der Abtastzeile erstreckt, wobei die Längsachse 11 der Linsenanordnung 10 unter einem Winkel zur Längsachse der Abtastzeile gekippt ist. Sie kleinen Linsen der Linsenanordnung 10 haben passende Brennweiten, so dafi der Informationsinhalt benachbarter Abschnitte der Abtastzeile ordnungsgemäß auf benachbarten Setektoren der Detektoranordnung 12 fokussiert wird. Beispielsweise wird, wie in Pig.2 gezeigt, der Informationsinhalt eines Abschnittes a der Abtastzeile von einer Linse 10a zum Detektor 12a transportiert, der Informationsinhalt des Abschnittes b der Abtastzeile wird

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von der Linse 10b zum Detektor 12b übertragen, der Infonaationsinhalt des Abschnittes c der Abtastzeile wird von der linse 10c zum Detektor 12c geschickt und der Informationsinhalt des letzten Abschnittes η wird von der Linse 1On zum Detektor 12n transportiert. Auf diese V/eise sorgt die linsenanordnung 10 für eine Projektion oder Übertragung des abschnittsweisen Informationsinhaltes einer Abtastzeile entlang einer vorgegebenen Längsachse auf Detektor einheit en einer Detektoranordnung, die entlang einer Achse geschichtet angeordnet sind, welche im rechten Winkel zur Längsachse der Abtastzeile verläuft.

Die Anbringung der Linse der Linsenanordnung 10, die dazu dient, den äußersten linken Abschnitt der Abtastzeile auf die oberste Detektoreinheit der Detektoranordnung 12 abzubilden, wird nun anhand der Pig.3 erläutert, die ein xyz-Koordinatensystem verwendet, dessen x-Achse mit der Achse der Abtastzeile zusammenfällt, dessen z-Achse den Abstand der Ebene der Linsenanordnung und der Ebene der Detektoranordnung von der y-Achse mißt und dessen y-Achse den vertikalen Abstand der Linsen der Linsenanordnung und der Detektoren der Detektoranordnung mißt. Die Abtastzeile, die Linsenanordnung 10 und die Detektor anordnung 12 sind alle mittig zum Nullpunkt der z-Achse ausgerichtet· Der in Fig.3 dargestellte Winkel ψ definiert die Aberrationsgrenzen der einfachen, billigen Linsen der Linsenanordnung 10; er liegt für derartige Linsen im allgemeinen zwisohen 6 und 12°. Die Vergrößerung der Linse der Fig.3 und ihre Position bei z-. auf der z-Achse bedingt die Position der ihr zugehörigen Detektoreinheit bei z^ auf der z-Achse; das bedeutet, wenn die in Pig.3 gezeigte Linse eine Vergrößerung von 2 hat, dann ist z_d 30 Zoll, wenn Z₁ 20 Zoll ist. Der y-Abstand der obersten Detektoreinheit, d.i. y_d, wird durch die physikalischen Abmessungen der gesamten Detektoranordnung 12 festgelegt und beträgt in der Praxis weniger als 25 mm. Geometrische Überlegungen liefern die Beziehung: _{0 0} ,

^zd ^s <*d ^{+ χ}β> ·

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Da V t Ya und χ alle bekannt sind, kann z^ berechnet werden und ergibt den Abstand der Detektoranordnung auf der z-Achse. Wieder liefern geometrische Betrachtungen die Gleichungen:

*1 = Γ* ^zl^/zd

^xl = ^X3^(zd-^zl^)/zd

aus denen sich die x- und y-Abstände X₁ und Jr₁ der Linse der Pig.3» ausgedrückt in den bekannten Größen y^, x_s, z^ und Z₁ berechnen lassen, wobei Z₁ bekannt ist, weil die Vergrößerung und der halbe Bildwinkel voraus gewählt werden. Die x- und y-Werte einer Linse zum übertragen anderer Abschnitte der Abtastzeile auf andere Detektoren der Detektoranordnung 12 stehen zu den Werten der ersten Linse der Linsenanordnung 10 in folgender Beziehung:

Δχ = Ax₀ (z_d - Z₁)A₀ (4)

Ay = Ay_a Z₁A₀ (5)

wobei die Größen auf der rechten Seite beider Gleichungen-(4) und (5) bekannt sind, da die Inderung der Abschnittlage Ax_a bekannt ist, weil die Länge jedes Abschnittes der Abtastzeile einen vorgegebenen Wert hat, und die Änderung der Detektorlage Ay_d bekannt ist aus den Hegeln, nach denen die Detektoranordnung 12 hergestellt wird. Folglich kann die x-y-Lage aller Linsen der Linsenanordnung berechnet werden, während die z-Ordinate aller Linsen der Linsenanordnung gleich ist.

Die Detektoreinheiten der Detektoranordnung 12 sind vorzugsweise ladungsgekoppelte Speicher, doch können auch andere lichtempfindliche Einrichtungen, beispielsweise Photodioden, verwendet werden, um den Informationsinhalt der Abtastzeile elektronisch zu speichern. Es kann auch die lichtempfindliche Fläche der Vidiconröhre oder einer ähnlichen Aufnahmeröhre in der Ebene

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der Detektoranordnung 12 angebracht werden, um den abtastenden Elektronenstrahl zu lesen.

Die Linsenanordnung 10 kann aus Glas oder Kunststoff sein und kann in üblicher Weise im Spritzgußverfahren hergestellt sein unter Verwendung einer Form mit einer Oberflächenkontur, die eine Vielzahl aneinandergrenzender kleiner Linsen liefert. Wenn Linsen verwendet werden sollen, die größer sind, als wegen der Größenbeschränkungen in einer Reihe vorgesehen werden können, damit mehr Licht zu den Detektoreinheiten der Detektoranordnung transportiert werden kann, können die Linsen anders als in einer Reihe angebracht werden, vorausgesetzt die Linsen haben die richtige x- und y-Ordinate, so daß eine Linie durch die Koordinatenmittelpunkte der Linsen unter dem richtigen Winkel zur Abtastzeile gekippt ist.

Das erfindungagemäße Abtastsystem kann eine ausreichende Zahl auflösbarer Eleuente vorsehen, um die Abtastung und Speicherung bei gebräuchlichen Bitdichten zu erlauben; beispielsweise können mehr als 512 Bits pro Zoll (200 Bits pro cm) gespeichert werden. Zudem ist die Tiefenschärfe der Linsen des vorliegenden Systeme größer als diejenige bisher gebräuchlicher Abtastsysteme des gleichen Typs, wodurch weniger Fehler durch Unregelmäßigkeiten der Vorlage oder eine Bewegung der Vorlage in Richtung zur Ebene der Detektoranordnung 12 entstehen. Die Radiometrie-Erfordernisse des erfindungsgemäßen Systems sind niedrig und machen es möglich, auch andere Lichtquellen anstelle des Lasers zum Erzeugen des abtastenden Lichtstrahles zu verwenden.

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Claims (1)

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   8 MÜNCHEN 23

   MAXIMILIANSTRASSE 43

   Ansprüche

   1· Lichtpunkt-Abtastsystem zum Abtasten einer informationstragenden Zeile, die in mehrere Abschnitte unterteilt ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2, 4, 8) zum Abtasten einer informationstragenden Abtastzeile, die sich in einer vorgegebenen axialen Richtung erstreckt, mit einem lichtstrahl,

   eine Detektoranordnung (12), die mehrere Detektoreinheiten (12a...12n) umfaßt und entlang einer zu der vorgegebenen axialen Richtung senkrechten Achse ausgerichtet ist, und

   eine Einrichtung (10), die den Informationsinhalt jedes Abschnittes (a, b,....n) der Abtastzeile auf eine eigene Detektoreinheit der Detektoranordnung Überträgt.

   2· Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragende Einrichtung eine Idnsenanordnung (10) ist,

   deren Linsen (10a 1On) auf einer Achse ausgerichtet

   sind, die zur axialen Richtung der Abtastzeile gekippt ist·

   3· Abtastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die linsenanordnung (10) für jeden Abschnitt der Abtastzeile eine Linse aufweist und daß die Detektoranordnung (12) für jeden Abschnitt der Abtastzeile eine Detektorein-

   709883/0732

   TBLEFON (Oae) 39 38 03 TELEX Οβ·3Ο98Ο TELEQRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

   ORIGINAL INSPECTED

   heit umfaßt.

   4. Abtastsystem nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheiten (12a....12n) ladungsgekoppelte Speicher sind·

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